by 
Προβληματισμοί
Ας φανταστούμε ότι υπάρχουν μαθητές που μας ακούν, προσπαθούν να καταλάβουν τι λέμε και δεν μένουν στο «μάθε το όπως το λέει». (Αν απορρίψετε, ως απίθανη, την ύπαρξη ενός τέτοιου μαθητή – πολλά χρόνια τον ονειρεύομαι να υπάρχει- σκεφτείτε στη θέση του ένα «νεαρό» συνάδελφο που «ακούει τι λέει όταν παραδίδει» και κάποια στιγμή αναρωτιέται πόσο συνεπής είναι).
Τι θα απαντούσαμε αν ένας τέτοιος μαθητής, μετά από μια σειρά μαθημάτων στο κεφάλαιο της Ενέργειας, μας ρωτούσε:
- Κύριε, σε προηγούμενο μάθημα ορίσατε την ενέργεια ως την ικανότητα παραγωγής έργου. Σήμερα μας είπατε ότι η ενέργεια διατηρείται. Μαζί τα δυο παραπάνω σημαίνουν ότι διατηρείται και η ικανότητα παραγωγής έργου; (!) Προχθές μας είπατε ότι ένα κουρδιστό παιγνίδι κινείται «γιατί η ενέργεια το κάνει να κινείται». Μα και όταν σταματήσει, συνεχίζει να υπάρχει η ίδια ποσότητα ενέργειας, υποβαθμισμένη μεν – υπάρχει δε. Πως μπορεί η ενέργεια να είναι η αιτία που κάνει τα πράγματα να συμβαίνουν, αφού στην αρχή και στο τέλος του συμβάντος είναι παρούσα; Ένα από τα υπάρχοντα μοντέλα, προβλέπει ότι στο τέλος του σύμπαντος θα υπάρχει μεγάλο ποσό ενέργειας, αλλά καθόλου δυνατότητα παραγωγής έργου. Συμβιβάζεται αυτό με τον ορισμό «ενέργεια είναι η ικανότητα παραγωγής έργου;
[Άποψη: Και το νερό ως σύνολο διατηρείται αλλά το διαθέσιμο πόσιμο νερό ελαττώνεται. Μήπως, σε αναλογία με τους όρους πόσιμο νερό και νερό, ήταν χρήσιμο να έχουμε τον όρο «διαθέσιμη ενέργεια» (που κάνει τα πράγματα να συμβαίνουν – αποφεύγω τον όρο «ελεύθερη ενέργεια», γιατί πέραν των άλλων θα έχουμε και την παρανόηση των ειδημόνων του facebook) και ενέργεια (που διατηρείται); Μήπως, απλούστερα, να μην δίνουμε ορισμό για την ενέργεια;]
- Κύριε, μας είπατε ότι μια ιδιότητα της ενέργειας είναι ότι αποθηκεύεται. Στη συνέχεια ως μορφές ενέργειας, μεταξύ άλλων, μας αναφέρατε τη φωτεινή και την ηχητική. Καλά αυτές αποθηκεύονται; (το ίδιο και για περίπου 100 άλλες που βρήκα στα βιβλία).
[Άποψη: Μήπως είναι καλύτερο να κρατήσουμε τον όρο «μορφές ενέργειας» για τις: i) δυναμική, ii) κινητική, iii) χημική, iv) θερμική και v) πυρηνική (πέντε όλες και όλες σε μακροσκοπικό επίπεδο, με τις τρεις τελευταίες να ανάγονται σε μικροσκοπικό επίπεδο σε δυναμική και κινητική) και να ονομάζουμε τις άλλες «μορφές μεταφοράς της ενέργειας»; (κάτι ανάλογο με το έργο)]
- Και το τελευταίο: Χθες δέσατε ένα βαρίδι στην άκρη ενός σπάγκου. Κρατώντας το σπάγκο από την ελεύθερη άκρη του αναγκάζατε το βαρίδι να κινείται, σε κατακόρυφο επίπεδο, σαν απλό εκκρεμές. Όταν ήταν στην πάνω – πάνω θέση είπατε ότι το “σώμα (βαρίδι) έχει” δυναμική ενέργεια λόγω της θέσης του, διευκρινίσατε όμως και ότι αυτή η ενέργεια είναι του συστήματος Σώμα – Γη. Όταν το βαρίδι ήταν στην κατώτερη θέση είπατε ότι έχει κινητική ενέργεια και αυτή είναι του σώματος. Η απορία μου είναι: Η ενέργεια είναι ιδιότητα του συστήματος ή του σώματος; Νομίζω ότι δεν μπορεί να είναι άλλοτε του ενός και άλλοτε του άλλου, μας είπατε ότι η Φυσική ορίζει με σαφήνεια τα θέματα. Σε μια ενδιάμεση θέση της τροχιάς του σώματος τίνος είναι η ενέργεια;
[Άποψη: Μήπως τελικά και η κινητική ορίζεται σε σύστημα, τελικά ως προς τι ορίζεται η ταχύτητα; Ο επιβάτης ενός κινούμενου λεωφορείου ως προς τι έχει κινητική ενέργεια; Μήπως σε σύστημα ορίζεται επίσης και η θερμική και η χημική;]
Αν έχετε χρόνο και διάθεση περισσότερα θα βρείτε εδώ
μα, Γιάννη, προφανώς κάνουμε συμβιβασμό στην άγνοιά μας
και το κάνουμε σε πολλές περιπτώσεις, απλά δεν το “βροντοφωνάζουμε”
π.χ. το ηλεκτρικό φορτίο δεν ορίζεται, αλλά το ηλεκτρικό ρεύμα ορίζεται με τη βοήθειά του
η απόσταση δεν ορίζεται, αλλά διαθέτει μονάδα μέτρησης
ο χρόνος δεν ορίζεται, αλλά η περίοδος εκκρεμούς ορίζεται με τη βοήθειά του
η γωνία δεν ορίζεται, αλλά η ορθή είναι 90ο
(ούτως ή άλλως το να ορίσεις ένα γινόμενο, από το πουθενά, ως έργο με απωθεί, το σέβομαι, όμως, διότι το όποιο σχολικό βιβλίο έχει την αποκλειστικότητα των ορισμών είτε μας αρέσουν είτε όχι)
επίσης Παναγιώτη
(πέρασα πρόσφατα μεγάλο πρόβλημα υγείας, ένας τύπος περείεργος με φλερτάρει…)
Προσπαθώντας να συνεισφέρω και γω στους πολύ ωραίους προβληματισμούς που έθεσε ο Παναγιώτης καταθέτω ορισμένες απόψεις γύρω από το μέγεθος της ενέργειας.
1. Θεωρώ ότι το μέγεθος της ενέργειας δεν θα πρέπει να διδάσκεται στην πρωτοβάθμια εκπαίδευση. Και αυτό για τους εξής λόγους:
α. Η διδασκαλία της δεν παρέχει κανένα απολύτως εργαλείο επεξήγησης οποιουδήποτε φαινομένου. Αντιθέτως καλλιεργεί μία μεταφυσική ερμηνεία του κόσμου. Για παράδειγμα αν ισχυριστούμε ότι για οποιαδήποτε αλλαγή υπεύθυνη είναι η ενέργεια, τότε όπως πολύ σωστά αναφέρει ο Παναγιώτης αυτό έρχεται σε αντίφαση ότι και πριν και μετά την αλλαγή το ποσό της ενέργειας παραμένει το ίδιο. Από την άλλη υπάρχουν και φυσικά φαινόμενα που δεν έχουμε ενεργειακές μετατροπές. Πχ η κυκλική κίνηση ενός πλανήτη γύρω από τον ήλιο ενώ δεν περιλαμβάνει καμία ενεργειακή μετατροπή, έχουμε διαρκείς αλλαγές της θέσης του πλανήτη
β. Ο ορισμός της ενέργειας ως δυνατότητα παραγωγής έργου είναι αφενός εσφαλμένος και αφ’ ετέρου δεν βοηθάει καθόλου στην ερμηνεία καθημερινών φυσικών φαινομένων
γ. Η αναφορά σε διάφορες μορφές ενέργειας και μετατροπές μεταξύ τους χωρίς τον ορισμό αυτών των μορφών μοιάζει περίπου με διδασκαλία θρησκευτικών δογμάτων απέχοντας πολύ από την ορθολογική μεθοδολογία της επιστήμης.
δ. Θεωρώ ότι οποιαδήποτε αφηρημένη έννοια ή μέγεθος ( πόσο μάλλον για την ενέργεια ένα από τα πολυπλοκότερα μεγέθη της φυσικής ) θα πρέπει ν’ αποφεύγεται στο επίπεδο της πρωτοβάθμιας. Η διδασκαλία της φυσικής στην πρωτοβάθμια θα πρέπει να επικεντρώνεται στην παρατήρηση, το πείραμα, την εμπειρία και την διεξαγωγή συμπερασμάτων. Πχ όταν έχουμε δύο σώματα ένα πιο ζεστό και ένα πιο κρύο και τα φέρουμε σ’ επαφή, το ζεστό κρυώνει και το κρύο ζεσταίνεται ώσπου ν’ αποκτήσουν την ίδια θερμοκρασία.
2. Θεωρώ ότι είναι αδύνατο να διδάξουμε οτιδήποτε χωρίς συμβιβασμούς.
Δηλαδή δεν είναι ανάγκη κάθε φορά όταν διδάσκουμε κάτι να είμαστε απόλυτα ορθοί. Αρκεί τα «λάθη» μας να είναι ελεγχόμενα. Δεν είναι δυνατό να διδάξουμε ένα οποιοδήποτε αντικείμενο χωρίς εκπτώσεις. Έτσι πχ όταν διδάσκουμε ένα αντικείμενο δεν είναι απαραίτητο σε επίπεδο πρωτοβάθμιας να δώσουμε ορισμούς ή τύπους.
3. Θεωρώ ότι θα πρέπει στην πρωτοβάθμια να αρχίσουμε από τα μεγέθη:
α) Έργο που είναι ένα μέγεθος που ο ορισμός του είναι αρκετά εύκολος και εκφράζει την ποσότητα του χειρονακτικού έργου. Όλα τα καταναλωτικά αγαθά παράγονται μέσω του έργου. Εδώ μπορούμε να μιλήσουμε για το χρυσό κανόνα της μηχανικής και για τη λειτουργία των απλών μηχανών. Όσο μεγαλύτερη μετατόπιση έχουμε τόσο μικρότερη δύναμη χρειαζόμαστε.
β) Θερμότητα. Μέσω της θερμότητας μπορούμε ν’ αλλάξουμε το μικροκλίμα είτε ζεσταίνοντας είτε ψύχοντας έναν χώρο.
γ) Κύματα. Ήχος φως και ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία. Οι τρόποι με τους οποίους επικοινωνούμε.
4. Στη δευτεροβάθμια έχουμε πλέον κτίσει τα θεμέλια για την εισαγωγή της έννοιας της ενέργειας. Στο Γυμνάσιο:
Εδώ θα μιλήσουμε για την ικανότητα που έχει ένα σώμα να παράγει έργο είτε λόγω της ιδιαίτερης θέσης του, είτε λόγω της κινητικής του κατάστασης. Δηλαδή θα μιλήσουμε για τη μηχανική ενέργεια και τη διατήρησή της. Στη συνέχεια θα μιλήσουμε για τις περιπτώσεις που δεν ισχύει η ΑΔΜΕ εισάγοντας την έννοια της θερμικής ενέργειας. Με τις αλλαγές φάσης θα μιλήσουμε για την εσωτερική ενέργεια γενικότερα. Έτσι η ενέργεια μπορεί να έχει 3 μορφές. Να είναι είτε δυναμική ( που περιλαμβάνει την ηλεκτρική, χημική πυρηνική, ελαστική κλπ ) είτε κινητική είτε εσωτερική. Το έργο, η θερμότητα, η ακτινοβολία ( μηχανική και ηλεκτρομαγνητική) και η μεταφορά της ηλεκτρικής μέσω καλωδίων, δεν είναι τίποτα άλλο παρά τρόποι-διαδικασίες μεταφοράς ή μετατροπής της ενέργειας.
Στο Λύκειο:
Θ’ αναδείξουμε την πολύ μεγάλη συγγένεια μεταξύ της ΑΔΟ και της ΑΔΕ. H μία αναδύεται από την ομοιογένεια του χώρου και η άλλη από την ομοιογένεια του χρόνου. Τέλος στην τελευταία τάξη θα αναφερθούμε στην ενέργεια ως ιδιότητα του κάθε στοιχειώδους σωματιδίου που εξαρτάται αφενός από το σωματίδιο που αναφερόμαστε και αφετέρου από την κινητική του κατάσταση. Υπάρχουν στοιχειώδη σωματίδια χωρίς μάζα ( ηρεμίας ) όπως φωτόνια γλουόνια, ή και χωρίς ορμή, αλλά δεν υπάρχουν στοιχειώδη σωματίδια χωρίς ενέργεια.
Καλημέρα,
Είναι πραγματικά δύσκολο να χωρέσουμε όλη αυτή τη συζήτηση σε μια σχολική ώρα (ή σε ένα post 🙂 )
Ίσως να πρέπει λίγο να τους εξηγήσουμε ότι η ενέργεια είναι ταυτόσημη με τη συμμετρία ως προς την κατεύθυνση του χρόνου (κλασικό παράδειγμα με βίντεο που δείχνει βολή ή εκκρεμές με +t και -t). Επειδή όλοι οι μικροσκοπικοί νόμοι είναι αντιστρέψιμοι στο χρόνο, η ενέργεια διατηρείται. Μακροσκοπικά όμως η περιγραφή του συστήματος είναι ατελής, καθώς δεν γνωρίζουμε όλους τους βαθμούς ελευθερίας, και για αυτό εισάγουμε την έννοια της υποβάθμισης της ενέργειας.
Ουσιαστικά στο 1 η μετατροπή της ενέργειας σε έργο προκαλεί την κίνηση. Αν το σώμα δεν είχε τριβές να μετατρέψουν την ενέργεια σε θερμότητα, τότε η ενέργεια θα παρέμενε ως κινητική (μηχανική ενέργεια), και θα μπορούσε πάλι να μετατραπεί σε άλλη μορφή ή σε έργο πλήρως.
Η θερμική ενέργεια μπορεί και αυτή να μετατραπεί σε άλλες μορφές ή και έργο, αλλά όχι πλήρως.
Μικροσκοπικά, η δυνατότητα πλήρους μετατροπής υπάρχει πάντα. Αλλά επειδή η γνώση μας του συστήματος είναι ατελής, δεν μπορούμε να εκμεταλλευτούμε πλήρως την ενέργεια του.
Επίσης στο (1) απαντάμε ότι η ενέργεια δεν είναι το αίτιο της κίνησης, αλλά η έκφραση μιας συμμετρίας των φαινομένων. Μακροσκοπικά ο μόνος Νομός που μας δίνει μια κατεύθυνση στο χρόνο, μια “φορά” προς την εξέλιξη των φαινομένων είναι ο δεύτερος θερμοδυναμικός.
Στο (2) τι εννοούμε αποθηκεύεται; Η ενέργεια μετατρέπεται από μια μορφή σε μια άλλη, αλλά λίγες μορφές αποθηκευονται, με τρόπο χρήσιμο για τον άνθρωπο. Ένα πεδίο μεταφέρει ενέργεια, ο ήχος μεταφέρει ενέργεια, πάλι όμως είναι δύσκολο να την εκμεταλλευτούμε καθώς αυτή η ενέργεια βρίσκεται σε βαθμούς ελευθερίας μικροσκοπικούς.
Στο (3) μα και η κίνηση προϋποθέτει σύστημα αναφοράς. Κάτι κινείται ως προς κάτι άλλο. Η ενέργεια πάντα είναι ιδιότητα του συστήματος. Μας απασχολούν οι μετατροπές της, καθώς αυτές περιγράφουν το φαινόμενο. Γενικά στη φυσική τα πράγματα ορίζονται πάντα σε σχέση με κάτι άλλο.
Καλημέρα Αποστόλη!
Το έργο δεν ορίζεται από την μετατόπιση του σημείου εφαρμογής μιας δύναμης; Δεν νομίζω ότι είναι κυκλικός ο ορισμός.
Καλημέρα Στάθη. Έτσι ορίζεται το έργο. Αν πούμε όμως ότι η ενέργεια είναι η ικανότητα παραγωγής έργου και στη συνέχεια ότι το έργο εκφράζει την ικανότητα παραγωγής ή μετατροπής ενέργειας, ο ορισμός της ενέργειας φαίνεται να είναι κυκλικός…
Γεια σου Στάθη.
Ας αρχίσω από το τέλος
3) Θεωρώ και εγώ ότι η ενέργεια είναι ιδιότητα του συστήματος. Μου άρεσε η φράση: «Γενικά στη Φυσική τα πράγματα ορίζονται πάντα σε σχέση με κάτι άλλο».
2) Όταν λέμε ότι ιδιότητα της ενέργειας είναι το να αποθηκεύεται, θεωρώ ότι και κάθε μορφή της ενέργειας πρέπει να έχει αυτή την ιδιότητα και όχι μόνο πέντε, μακροσκοπικά, μορφές (κινητική, δυναμική, χημική, θερμική, πυρηνική). Δηλαδή. αυτές οι πέντε “πλεονεκτούν”, έχουν μια επιπλέον ιδιότητα που δεν έχουν οι άλλες μορφές; Το πρόβλημα μπορεί να λυθεί με την εισαγωγή του όρου «μορφές μεταφοράς ενέργειας». Η ηχητική π.χ. δεν μορφή ενέργειας αλλά είναι μορφή μεταφοράς ενέργειας από την ηχητική πηγή στο περιβάλλον, όπου και αποθηκεύεται τελικά ως θερμική ενέργεια.
1) Η διαφωνία μου με τον ορισμό «Ενέργεια είναι η ικανότητα παραγωγής έργου» βρίσκεται στα:
α) δεν είναι σύμφωνος με το 2ο Νόμο της Θερμοδυναμικής, μια και μπορεί να έχω ενέργεια χωρίς όμως να έχω τη δυνατότητα παραγωγής έργου. Η ενέργεια διατηρείται, όχι όμως και η ικανότητα παραγωγής έργου. Για τη Φυσική αυτό που διατηρείται είναι η ενέργεια, ενώ αυτό που απαιτείται για να «συμβαίνουν τα πράγματα» είναι η «ελεύθερη ενέργεια» – σε άλλο επίπεδο η αύξηση της εντροπίας. Από εδώ προέκυψε και η πρότασή μου: μήπως πρέπει να γίνεται διάκριση μεταξύ του όρου «ενέργεια» και «διαθέσιμη ενέργεια».
β) Συμφωνώ με τον Αποστόλη ότι είναι κυκλικός ορισμός διότι αφενός ορίζουμε την ενέργεια ως την ικανότητα παραγωγής έργου και αφετέρου, λίγο αργότερα, ορίζουμε το έργο ως μια μορφή μεταφοράς της ενέργειας. Θα έλεγε κάποιος ότι λέμε: «ενέργεια είναι η ικανότητα να μεταφέρεται ενέργεια»
γ) Ο ορισμός αυτός προϋποθέτει τη διδασκαλία του έργου, άρα είναι αδύνατο να διδαχτεί σε μικρές ηλικίες και θα υπάρχει το οξύμωρο να συναντήσει ο μαθητής την έννοια ενέργεια στη Βιολογία ή στη Χημεία πριν διδαχτεί την έννοια του έργου.
καλημέρα Παναγιώτη, ευχαριστώ για την απάντηση!
Έχω διαβάσει και τα προηγούμενα ποστ, οπότε περίπου έχω μια εικόνα της συζήτησης.
Ας πιάσουμε το 1, και τα τρία σημεία που θέτεις 🙂
Σχετικά με το β, όπως έγραψα και στον Αποστόλη, θεωρώ ότι το έργο ορίζεται από τη μετατόπιση του σημείου εφαρμογής μιας δύναμης, οπότε ο ορισμός δεν είναι κυκλικός. Ορίζουμε το έργο μέσω της δύναμης, και την ενέργεια σαν δυνατότητα παραγωγής έργου του συστήματος. Η φυσική είναι μια πειραματική επιστήμη, οπότε πρέπει η αφετηρία μας να είναι πάντα εκεί.
Για το γ, όντως η διδασκαλία της έννοιας της ενέργειας προηγείται, και νομίζω συμφωνούμε ότι είναι σημαντική. Ίσως θα ήταν καλό να γίνεται μια αναφορά στην έννοια του έργου, αφού αυτό είναι η τελική έκφραση της ενέργειας στην παρατήρηση και την μέτρηση (ειδικά αν αφιερώσουμε λίγο χρόνο στην μικροσκοπική περιγραφή). Αλλά νομίζω ότι είναι σημαντική η ανάπτυξη μιας φυσικής διαίσθησης, σχετικά κυρίως με τον μηχανισμό και την έννοια της διατήρησης.
Ας σκεφτούμε ότι τα παιδιά μαθαίνουν το Πυθαγόρειο Θεώρημα πολύ πριν μάθουν να το αποδεικνύουν, αυτό όμως δεν εμποδίζει, αντιθέτως πιστεύω διευκολύνει την ανάπτυξη της γεωμετρικής διαίσθησης από νωρίς.
Αν ξεκινήσουμε με τον όρο διαθέσιμη ενέργεια, που προτείνεται στο α, τότε βάζουμε κάποια επιπλέον θέματα που πρέπει να εξηγηθούν. Γιατί είναι μια ενέργεια διαθέσιμη και μια άλλη όχι; Στην προσπάθεια να το εξηγήσουμε αυτό, ουσιαστικά κάνουμε τη συζήτηση της μικροσκοπικής περιγραφής, ενδεχομένως και της εντροπίας, που είναι δύσκολο να γίνει μαζί. Ίσως στα σχολεία του μέλλοντος να διδάσκεται πρώτα η εντροπία.
Ένα οποιοδήποτε κλειστό σύστημα σε θερμοδυναμική ισορροπία είναι νομίζω καλό παράδειγμα. Δεν μπορεί να παραχθεί έργο. Η ενέργεια όμως υπάρχει στο σύστημα, και αυτό το γνωρίζουμε γιατί αν αλλάξουμε τις συνθήκες (πχ έρθει σε επαφή με μια δεξαμενή θερμότητας χαμηλότερης θερμοκρασίας) μπορεί να παραχθεί έργο, και ακριβώς όσο προβλέπει η θεωρία. Ο όρος διαθέσιμη ενέργεια σίγουρα ταιριάζει σε αυτήν την περίπτωση.
Ο σκοπός της φυσικής είναι να περιγράψει τα φαινόμενα, όχι να κάνει το αδύνατο 🙂
Σχετικά με το 2 συμφωνώ, αλλά πχ η ηχητική, που αναφέρθηκε, μικροσκοπικά είναι ταλάντωση, άρα μηχανική ενέργεια.Το θέμα μικρο-μακρο είναι παλιό στη φυσική, και πολύ πονεμένο στην εκπαίδευση.